王玲 張光立 姜豐

1.中國電器科學研究院股份有限公司 廣東廣州 510300；

2.合肥工業(yè)大學機械工程學院 安徽合肥 230009

0 引言

作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國工業(yè)的快速發(fā)展雖然促進了經(jīng)濟和社會的增長，但也導致了嚴重的環(huán)境污染。特別是在欠發(fā)達的經(jīng)濟體系中，工業(yè)活動會產(chǎn)生更大的環(huán)境外部性。因此，“低能耗、低污染和低排放”的生態(tài)概念在世界范圍內(nèi)獲得了青睞。在低碳經(jīng)濟形勢與大眾發(fā)展的背景下，“高能耗、高污染、高排放”題問給當前制造業(yè)的發(fā)展帶來了極大的困難與挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)國家自主貢獻目標，我國針對重工業(yè)低碳發(fā)展制定了一系列規(guī)劃。低碳技術的發(fā)展和創(chuàng)新是提高能源效率和實現(xiàn)節(jié)能減排的基本手段。因此，制造企業(yè)實施的低碳技術創(chuàng)新符合當前的發(fā)展趨勢。

1 碳足跡評估研究

碳排放是一個多物理學科的研究領域，它是對溫室氣體排放的一種簡要概述。碳排放的溫室效應以及國際上對氣候變暖效應的政治反應已經(jīng)引起了科學界的注意。此外，國內(nèi)外研究人員對碳排放和碳減排的多視角、多學科理論解釋和實證檢驗，為制定相關減少碳排放的政策提供了理論支撐。在這種政治和經(jīng)濟背景下，全球范圍內(nèi)與碳排放和碳減排相關的科學和經(jīng)濟研究日益增多。

產(chǎn)品碳足跡在學術上的定義是產(chǎn)品全生命周期各階段運行過程中生產(chǎn)的溫室氣體排放量，但是現(xiàn)有的研究中對碳足跡的量化并沒有形成普遍認可的評價計算方法。在各類產(chǎn)品的研究中，碳足跡均是基于ISO 14040系列的標準框架進行實施產(chǎn)品全生命周期的評價，這一系列的評價主要包括確定目標和范圍、清單分析、影響評價以及解釋說明。典型的碳足跡評估方案流程如圖1所示。

圖1 典型碳足跡評估方案流程

碳足跡影響因素的分解模型較多，不同評估模型的提出是基于不同的思路，但是都有相同的基礎模型。隨著國內(nèi)碳足跡評估研究的逐漸深入，國內(nèi)學者從不同的角度、對象和方法對其進行研究。其中，碳足跡評估的準確性與未來機電產(chǎn)品應繳納的碳稅額度相關聯(lián)，故此碳足跡評估的準確性研究是碳足跡量化的重點研究內(nèi)容之一。

為了實現(xiàn)碳減排，許多研究人員通過建立一系列的碳排放相關模型來計算碳排放量，為后續(xù)碳排放優(yōu)化提供更加便利的條件。雖然目前對碳排放量的計算方法有很多種，但是使用最多的有生命周期法（Life Cycle Assessment，LCA）、投入產(chǎn)出法以及IPCC法（Intergovernmental Panel on Climate Change）?；贚CA的碳足跡評估計算流程如圖2所示。

圖2 基于LCA的碳足跡評估計算流程

1.1 LCA法

LCA法是核算產(chǎn)品在其全生命周期或者整個階段中所有投入和產(chǎn)出對環(huán)境造成影響的方法。LCA是通過生命周期清單所得研究對象的輸入、輸出清單，計算其全生命周期中直接和間接產(chǎn)生的碳排放，建立“輸入=累積+輸出”的平衡方程式。

Jeswiet等[1]提出了一種將制造中使用的電能直接與使用電能產(chǎn)生的碳排放（CE）聯(lián)系起來的方法，使用碳排放簽名（CES?）查找零件碳排放量；Maria等[2]通過考慮七種沖擊方法，對電動汽車動力總成的關鍵部件進行詳細的生命周期分析，結(jié)果表明，高能資源消耗產(chǎn)生的影響最大，其次是金屬，最后是礦產(chǎn)資源。Hoang等[3]基于生命周期提出一種可持續(xù)算法來求解最小二氧化碳的排放量，與傳統(tǒng)方法相比，優(yōu)化后的碳排放總量減少了5.3%～17.7%；王欣等[4]針對產(chǎn)品碳足跡評估計算問題，通過建立碳足跡評價流程實現(xiàn)對產(chǎn)品整個運行過程的全面理解，分析影響產(chǎn)品碳排放因素并制定減排關鍵措施；Chen等[5]根據(jù)自行車生產(chǎn)、運營和回收過程中消耗的資源量，利用生命周期碳排放評估來計算共享單車行業(yè)的減排閾值，為探索共享經(jīng)濟與環(huán)境之間的關系提供了新的視角；Wei等[6]在生命周期評估的基礎上評估軋鋼生產(chǎn)產(chǎn)生的水、碳和化石能源足跡，并查明了歸因于這些環(huán)境影響的主要貢獻者，以便探討其潛在的緩解措施，最后使用蒙特卡羅模型進行不確定性分析，為決策提供可靠的結(jié)果。吳百苗等[7]基于全生命周期（LCA）框架，建立全生命周期碳足跡、環(huán)境、經(jīng)濟綜合影響評價模型（LCA-CEE）；劉濤等[8]提出應用生命周期評價（LCA）對鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展規(guī)劃的方法。

采用基于生命周期的評價方法，可以更好地從產(chǎn)品的全生命周期階段，更加全面地評估碳足跡。但是對于LCA來說，數(shù)據(jù)的獲取是關鍵，而在實際過程中，很難具體獲取到各個過程的初始數(shù)據(jù)，并且很難將所有影響因素考慮進去，從而影響到碳評估的準確性。

1.2 投入產(chǎn)出法

投入產(chǎn)出法也稱投入產(chǎn)出分析，是研究經(jīng)濟活動中各產(chǎn)業(yè)之間、各企業(yè)之間、企業(yè)內(nèi)部各工序之間或各產(chǎn)品之間投入量與產(chǎn)出量平衡關系的一種方法。通過統(tǒng)計企業(yè)各部門溫室氣體排放，利用投入產(chǎn)出法分析在整個生產(chǎn)鏈上產(chǎn)生的溫室氣體碳排放量。

徐愷飛[9]基于全球國家為了應對日益嚴重的環(huán)境問題而調(diào)整經(jīng)濟模式的大背景和中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的考慮，測算完全碳排放，從而對碳排放的驅(qū)動因素進行分析；楊璐瑤[10]建立了實物量的區(qū)域間公路貨運投入產(chǎn)出表；Yang.W等[11]采用投入產(chǎn)出分析和生態(tài)網(wǎng)絡分析，從系統(tǒng)角度探討如何減輕企業(yè)信息門戶（Enterprise Information Portal，EIP）產(chǎn)品或服務中體現(xiàn)的碳排放，該研究可能有助于EIP的低碳管理；Wiedmann等[12]在經(jīng)濟學中基于產(chǎn)品生命周期提出一種投入—產(chǎn)出法，并且討論該方法在碳足跡評估中的適用性。除此之外，孫良峰等[13]采用相對碳排放因子方法構(gòu)建低碳設計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多層集成模型，形成一種從上向下的分層遞減碳排放表達機制，該模型可以較好的對設計過程中碳足跡的量化進行實時反饋；Alessandro等[14]為了提供一種全新的多標準優(yōu)化方法，基于生命周期評估的可持續(xù)性定量分析與公司成本評估方法相結(jié)合，并進行實驗，結(jié)果表明：將該方法用于燃氣輪機的單個組件，從而降低了供應成本和溫室氣體排放；Jiang等[15]從投入產(chǎn)出調(diào)研的角度出發(fā)，采用投入產(chǎn)出法、結(jié)構(gòu)分解法、能源利用法的擴展形式，對2007—2015年我國電力和供熱行業(yè)結(jié)構(gòu)性排放減少情況進行了研究，為電力供熱行業(yè)從投入輸出角度控制CO2排放增長提供假設分析依據(jù)，也為電采暖行業(yè)更精準地減少供給側(cè)能源品種排放提供準確路徑；Zhu等[16]提出了各個國家間投入產(chǎn)出分解框架，該框架可以區(qū)分國內(nèi)企業(yè)和多國企業(yè)，并重新計算全球價值鏈排放量，包括國際貿(mào)易（與貿(mào)易有關的全球價值鏈排放）、外國直接投資（與外國直接投資有關的全球價值鏈排放）和兩者（與貿(mào)易和與外國直接投資有關的全球價值鏈排放）所體現(xiàn)的排放量。

由上述研究發(fā)現(xiàn)，基于投入產(chǎn)出法的碳足跡評估研究主要集中于區(qū)域、集團、產(chǎn)業(yè)等宏觀方面，很少應用到機電產(chǎn)品上，因此，投入產(chǎn)出法在碳足跡評估上的應用還具有很大的研究空間。投入產(chǎn)出法的相關研究在我國起步較晚，無論是技術還是經(jīng)驗上都落后于歐美國家。并且由于我國的區(qū)域經(jīng)濟差異，導致數(shù)據(jù)缺乏可靠性，進而導致分析結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

1.3 IPCC法

IPCC法是一種通用型的核算方法，該方法適用于不同尺度的碳足跡核算，其通用公式為：碳排放量=活動數(shù)據(jù)×排放因子。

在IPCC法方面，國內(nèi)外的學者做了一些研究，其中Jun Peng等[17]針對機電產(chǎn)品中碳足跡分析與設計方法中結(jié)構(gòu)難以與低碳設計相結(jié)合的問題，提出一種基于能源礦物燃燒排放量（IPCC法）的碳足跡評估方法，通過實驗驗證了該方法的有效性；李濤等[18]針對數(shù)控機床中碳足跡評估問題，提出基于能源消耗構(gòu)建碳足跡評估模型，并且對設計方案進行綠色度評價，該模型用于五軸聯(lián)動立式加工中心的設計中進行評估，驗證了該方法的有效性；Giulia等[19]針對奶酪生產(chǎn)機器中碳足跡和水足跡評估問題，采用IPCC2013的方法對機器在生產(chǎn)過程中的碳足跡進行評估計算，結(jié)果表明，該方法的使用可以有效地計算機器運行過程中的碳排放量；徐峰等[20]針對谷物聯(lián)合收割機的燃油消耗問題，運用IPCC法評估出碳減排；吳漢棟等[21]針對燃煤火電行業(yè)中電機組的碳排放量評估，提出基于IPCC法的碳足跡評估方法，以300 MW亞臨界燃煤火電機組為例，并利用工程數(shù)據(jù)計算該機組年度二氧化碳的排放量，并指出了IPCC法在計算過程中的優(yōu)點；Maurizio Cellura等[22]針對城市能源消耗對環(huán)境的影響問題，應用IPCC與LCA的方法對城市中碳排放量進行評估計算，研究表明，通過IPCC方法計算溫室氣體的排放量減少約7%。

以上對機電產(chǎn)品的研究中主要是利用IPCC法對機電產(chǎn)品運行過程中的碳足跡進行評估計算，可以根據(jù)清單因子對生產(chǎn)過程進行精確的碳排放量計算；但是現(xiàn)有的研究中針對機電產(chǎn)品使用過程中利用IPCC法進行碳足跡評估的研究很少，主要是針對城市、畜牧業(yè)、林場等使用IPCC法進行碳足跡評估。因此，還需要針對機電產(chǎn)品加大相關研究力度。

以上均是針對如何進行碳足跡評估方法的研究，研究主要集中在LCA法、投入產(chǎn)出法、IPCC法。每種方法都有著其本身的優(yōu)點和局限性，如何通過充分利用和完善改良碳足跡評估的方法來提升產(chǎn)品碳足跡評估的準確性，在未來的研究中將變得至關重要。

2 機電產(chǎn)品碳足跡評估研究的熱點、難點及存在的主要問題

2.1 機電產(chǎn)品碳足跡評估研究的熱點

結(jié)合前面所論述的內(nèi)容，制造業(yè)目前迫切需要滿足資源環(huán)境壓力下的綠色與低碳需求，因此，國內(nèi)外企業(yè)及研究機構(gòu)開展了對應的機電產(chǎn)品碳足跡評估領域內(nèi)研究，主要涵蓋工程機械、電子電器、機械裝備等多種機電產(chǎn)品領域。

目前，碳足跡評估研究熱點主要是集中于針對某類具體產(chǎn)品的碳足跡模型，制造過程中某個具體過程或技術的碳排放分析，以及各類產(chǎn)品生命周期階段的碳數(shù)據(jù)分析與評估。但距離從產(chǎn)品頂層設計或制造系統(tǒng)規(guī)劃等系統(tǒng)層面出發(fā)的碳信息體系、碳評估技術及低碳設計仍存在一定差距。

2.2 機電產(chǎn)品碳足跡評估研究的難點

目前，機電產(chǎn)品的碳足跡評估涵蓋了多個領域與學科，如產(chǎn)品設計、信息處理等，其中重點關注內(nèi)容復雜，且存在一定的技術沖突，其相關研究面臨諸多難點：

（1）碳足跡數(shù)據(jù)搜集及準確性

機電產(chǎn)品涉及的零部件和原材料構(gòu)成復雜，將產(chǎn)品零部件拆解得到各零部件碳足跡的數(shù)據(jù)搜集工作量巨大、準確性難以保證，且碳足跡數(shù)據(jù)包含但不限于原材料的開采、產(chǎn)品的設計、制造、運輸、銷售、使用、維修保養(yǎng)、廢棄處理，涉及到生命周期各個階段，是機電產(chǎn)品實施碳足跡評估最主要的難點之一。

（2）碳足跡模型構(gòu)建

由于機電產(chǎn)品所選用原料多源、制造過程復雜、服役環(huán)境不確定、回收方式多樣等各類影響因素，導致構(gòu)建生命周期下碳足跡模型難度較高，且其模型分析精度較低，無法有效支撐后續(xù)的碳足跡分析及優(yōu)化目標。因而，構(gòu)建準確的數(shù)學或物理過程模型來描述機電產(chǎn)品全生命周期碳足跡分布規(guī)律存在較大的困難。

（3）碳足跡評估

由于要合理評估機電產(chǎn)品的碳足跡，采用對應的減碳技術來優(yōu)化關鍵環(huán)節(jié)，一般需要花費一定的時間和人力成本，形成長時間和大范圍的反映碳排放影響因素與其碳足跡之間對應的關系，并積累相應的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)機電產(chǎn)品的全球碳足跡評估，實現(xiàn)有效的減碳優(yōu)化，這也是目前低碳制造中比較復雜的研究領域。

2.3 機電產(chǎn)品碳足跡評估存在的主要問題

結(jié)合上文所述，盡管研究人員針對不同機電產(chǎn)品提出了各種碳足跡評估方法，且以上碳足跡評估方法具備其各自優(yōu)勢，但在具體實踐與工業(yè)化應用中仍面臨諸多困難：

（1）碳足跡數(shù)據(jù)缺失

國內(nèi)碳足跡核算標準體系和數(shù)據(jù)庫缺失。近幾年，我國包括機電產(chǎn)品在內(nèi)的產(chǎn)品在出口歐洲國家時遭遇了綠色碳壁壘，越來越多的企業(yè)在建立數(shù)據(jù)庫，但現(xiàn)階段尚未建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，沒有推動國際互相認可，缺乏客觀反應我國生產(chǎn)技術水平、具有時間地域代表性的高質(zhì)量碳足跡排放因子數(shù)據(jù)。

（2）生命周期數(shù)據(jù)共享

機電產(chǎn)品碳足跡的有效分析與評估是基于其高質(zhì)量生命周期數(shù)據(jù)之上的，而部分核心數(shù)據(jù)，尤其是企業(yè)內(nèi)部運行與產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)，其使用權限是受到約束的，迫切需要解決機電產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)使用、管理及共享問題。

（3）規(guī)范及監(jiān)管平臺

由于機電低碳制造技術體系關系到國家社會的多個層面，如能源行業(yè)、居民生活等，其關鍵技術應用效果會進一步影響至各個環(huán)節(jié)，如新材料應用、資源循環(huán)、新能源替代等，在其實施過程中需要得到相關標準及規(guī)范指導，以及相關部門的有效推動及監(jiān)管。

3 總結(jié)

節(jié)能減排是依據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而提出的新生產(chǎn)理念。由于資源稀缺和環(huán)境立法，生產(chǎn)機電產(chǎn)品的相關企業(yè)面臨著愈來愈多的壓力，并且隨著社會的發(fā)展，能源與供給需求的矛盾愈發(fā)嚴重。因此，碳足跡評估與低碳技術對相關制造企業(yè)進行技術升級革新，是不可或缺的一種措施。通過分析上述研究成果，展示了碳足跡評估的研究現(xiàn)狀、技術特征、研究熱點及當前問題，以進一步推動機電產(chǎn)品低碳制造技術的發(fā)展與應用。